중성 밀도 필터

2024년 1월 29일|Team Syronoptics

중성 밀도(ND) 필터는 특정 스펙트럼 범위에서 통과하는 빛의 강도를 균일하게 감소시키도록 설계된 광학 감쇠 장치입니다. 주된 기능은 입사광의 색도(색 균형)나 스펙트럼 구성에 변화를 주지 않으면서 광학 출력을 낮추는 것입니다. 이상적으로 ND 필터는 스펙트럼적으로 "중성" 감쇠기 역할을 하며, 신호의 진폭만 변경합니다.

기본 원리 및 측정 기준

ND 필터의 성능은 빛을 차단하는 능력으로 정의되며, 이는 광학 밀도(OD) 로 정량화됩니다.

광학 밀도(OD)

광학 밀도는 필터의 감쇠 계수를 설명하는 로그 단위입니다. 이는 다음 공식에 의해 부분 투과율(T)과 관련됩니다.

OD = -log₁₀(T)

반대로 투과율(T)은 OD로부터 계산될 수 있습니다.

T = 10^-OD

여기서 T는 0과 1 사이의 값입니다(예: 50% 투과율 = 0.5).

표준 OD 값 및 투과율 표:

광학 밀도(OD)	투과율(%)	감쇠 계수
0.1	79%	1.25X
0.3	50%	2X
0.5	31.6%	3X
1.0	10%	10X
2.0	1%	100X
3.0	0.1%	1000X
4.0	0.01%	10000X

주요 사양

스펙트럼 평탄도: 지정된 파장 범위 내에서 투과율의 변화를 나타냅니다. 완벽하게 중성인 필터는 없으며, "평탄도"는 편차(예: 5%)를 정의합니다.
유효 구경(CA): 지정된 광학 품질을 충족하는 필터의 중심 직경(일반적으로 전체 직경의 90% 이상)입니다.
표면 품질(스크래치-디그): 표면의 미세 결함을 측정하는 척도(예: 40-20)로, 산란을 최소화하기 위한 이미징 응용 분야에서 중요합니다.
평행도(쐐기): 두 광학 표면 사이의 각도입니다. 높은 평행도는 이미징 경로에서 빔 편향을 줄입니다.

ND 필터의 종류

ND 필터는 빛을 감쇠시키는 메커니즘에 따라 흡수형과 반사형으로 분류됩니다.

A. 흡수형 ND 필터

이 필터는 일반적으로 특정 비율의 입사광을 흡수하기 위해 전이 금속 또는 희토류 원소가 도핑된 유리 기판을 사용합니다.

메커니즘: 벌크 재료 내에서 에너지가 흡수됩니다.
장점:
- 낮은 후방 반사: 고스트 이미지나 미광이 문제가 되는 이미징 시스템에 이상적입니다.
- 방향 무관: 광학 경로 내에서 어느 방향으로든 배치할 수 있습니다.
단점:
- 낮은 손상 한계: 흡수된 에너지는 열로 변환되므로 고출력 레이저에는 부적합합니다(열 렌즈 효과 또는 파손 위험).
- 두께 변화: OD 값이 높을수록 일반적으로 유리가 두꺼워져 광학 경로 길이에 영향을 미칩니다.

B. 반사형(금속) ND 필터

이 필터는 투명 기판(유리, 용융 실리카)에 얇은 금속 필름(예: 인코넬, 크롬)을 코팅하여 빛의 일부를 반사시킵니다.

메커니즘: 에너지가 표면에서 반사되며, 흡수되는 양은 매우 적습니다.
장점:
- 높은 손상 한계: 열 축적이 최소화되어 레이저 응용 분야에 적합합니다.
- 일정한 두께: OD 값에 관계없이 기판 두께가 균일합니다.
- 스펙트럼 중성성: 흡수성 유리보다 더 넓은 파장 범위(UV ~ IR)에서 일반적으로 더 평탄한 응답을 보입니다.
단점:
- 후방 반사: 강한 반사는 레이저 공동을 불안정하게 만들거나 측정 오류를 유발할 수 있습니다.
- 방향 민감성: 반사 코팅은 일반적으로 기판이나 접착제의 가열을 방지하기 위해 광원 쪽을 향해야 합니다.

변형

가변 ND 필터(VND): 감쇠를 지속적으로 조절할 수 있습니다.
- 원형 가변 ND: 밀도가 원주를 따라 변하는 "쐐기" 디자인입니다.
- 선형 가변 ND: 밀도가 선형 축을 따라 변합니다.
스텝 ND 필터: 서로 다른 광학 밀도의 개별 섹션(단계)으로 나뉜 단일 기판으로, 빠른 시스템 교정에 사용됩니다.
아포다이징 필터: 빔 강도 프로파일을 변경하기 위해 방사형으로 변화하는 밀도(일반적으로 중앙은 투명하고 가장자리는 어두움)를 특징으로 합니다(예: 가우스 빔을 Top-Hat 프로파일로 변환).